清华大学物理光学试题及参考答案.docx

一、简要回答下列问题JJGJJGJGJJGJJG4/41. 画两个图，分别标出各向同性介质中和晶体中（只画非常光）DJGS 之间的方向关系。解：如图所示：、 E 、 B 、 H、 K 、各向同性介质中晶体中JJG EJJG DJG JJG S KJJG D光轴 zJJG EJJG KJG SyJJG JGJGJ JGHBxHB2. 氦的 587.6 nm 谱线的宽度为0.0025 nm ，用它作迈克耳逊干涉仪的光源。当移动一臂中的反射镜，最多能在多大移动距离内观察到干涉条纹？2解：最大干涉光程（相干长度）L = = 0.138m故最大移动距离h = L2= 0.069m3. 假定光源的波长范围是400550 nm ，入射光垂直入射到光栅上， 问光谱从第几级开始相互重叠？为什么？解：由于不同波长的光通过光栅的角色散不同，对应接收屏上条纹间距不同，所以不同波长不同级次的光谱会重叠。取光谱范围两端的衍射光进行计算，设从m 级开始重叠，则m × 550 = (m+1)× 400得到 m = 2.67，取整得到 m = 3 ，即从第 3 级开始重叠。4. 通常用干涉滤光片获得单色光，指出描述干涉滤光片特性的主要参数有哪些？ 解：主要参数包括：中心波长，波长半宽度和中心波长峰值透过比。5. 两个正交偏振器之间插入一块/ 2 波片，强度为 I0的单色光通过这一系统，如果将波片绕光的传播方向旋转一周，问将看到几个光强极大值和极小值？并指出相应的波片方位及光强数值。解：分别将看到 4 个极大和 4 个极小值。当波片快轴平行或垂直于起偏器光轴时完全消光，出现极小值，光强为0；当波片光轴与偏振器光轴成45 度角时，光强极大，为I 0/2。6. 正弦光栅在自身所在平面内平移或转动时，对夫琅和费衍射场或透镜后焦面上的衍射斑有什么影响？解：根据夫琅和费衍射与傅里叶变换的关系可知：正弦光栅在自身所在平面内移动时，衍射斑光强分布不变，相位分布发生一定变化； 在自身所在平面内转动时，衍射斑光强、相位分布均随之旋转。二、在下图所示的洛埃镜实验中，光源S 到观察屏 E 的垂直距离为 1.5 m，光源到洛埃镜 L镜面的垂直距离为2 m，洛埃镜长 75 cm，紧贴观察屏放置。1. 试确定屏上可以看见条纹的区域的大小，指出屏上O 点条纹的亮暗特征。2. 写出屏上该区域光强分布的表达式。3. 若光波波长 = 600 nm ，条纹间距是多少？在屏上可以看到几条暗纹？ 解：1. S 光反射后在 E 屏上最高点距 O 点（最低点）的距离为2 mm ，即为条纹区域。两光源发出的光（其中一个为虚光源）在O 点光程差为 0，但虚光源对应的反射光存在 相位跃变，因此 O 点为暗纹。-32. 仿距离 d =2 × 2 mm = 4 × 1m0的双孔干涉得到光强分布为I = 4I0cos2，其中= 2dx + =1.68×10- 2x + ，（ D=1.5 m ）2D3. 条纹间距e = 225m ，条纹区域宽度为2 mm ，故可以看到d/D2mm 225m= 8.9 ，去尾得到 8，共为 8+1 = 9 条暗纹。三、折射率为 n = 4.0 的介质平板放在空气中，波长为8 m 的红外线正入射。1. 求其反射率为多少？2. 为了使它的反射损失尽量减小，应当在它上面镀一层折射率为多少的介质膜？3. 所镀介质膜的厚度至少应为多少？这是可达的最低反射率为多少？ 解：221. 反射率= ? n - 1 ? = ?4 - 1 ?= 0.36? n +1 ?4 +1 ?2. 所镀膜层折射率n1 =n ?n0 =4×1 = 23. 设厚度至少为h，满足n1h =?h = 1m44n1此时反射率最低min? n0 -= ?22n?1 ?n ? = 0n2? n +1 ?0?n ?四、钠黄光包括 = 589.0 nm 和 = 589.6 nm 的两条谱线。使用一块15 cm 宽，每毫米内有1200 个刻槽的透射型光栅，求：1. 一级光谱中谱线的位置。2. 两条谱线的角间隔和半角宽度。解：1. 光栅周期1 10- 3×d =1200m = 0.83m，总线数 N = 150 × 1200 = 18000由光栅方程d sin =m ，当 m = 1 时 =asin? ?d ?则1 = 589.0 nm 对应谱线角位置=asin? 1 ? = 0.789rad1? d ?则2 = 589.6 nm 对应谱线角位置?2 =asin? 2 ? = 0.790rad? d ?22. 角间隔= 2 -1 = 0.001rad半角宽度1 =1Nd cos1= 5.573×10- 6rad , =2Nd cos2= 5.585×10- 6 rad五、1. 使用琼斯矩阵方法证明：一个左旋圆偏振光和一个右旋圆偏振光分别通过/4 波片后成为相互正交的线偏振光。JJG?Ex1 ?10 ?1? 1 ?解证：左旋圆偏振光通过/4 波片后E1 = ?E?= ?0i?i?= ?- 1?y1 ? ?JJG?Ex 2 ?10 ? 1 ?1?右旋圆偏振光通过/4 波片后E2 = ?E? = ?0i?-i ?= ?1?JJGTJJG?1?y 2 ? ?而 E1?E2= (1- 1)? ? = 0 ，故出射光为线偏振光且正交。1? ?2. 示意画出自然光通过有两个晶片和/2 波片构成的偏振系统时光线的方向和偏振方向。（注：前后两晶片完全相同，且为负单轴晶体，光轴平行于纸面，/2 波片快轴与纸面成 45 度角）解：如下图所示光轴o 光e 光自然光晶片/2 波片晶片